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I. Anwendungsgebiet
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Die Erfindung betrifft einen ausgleichenden Rohrflansch zum Befestigen eines Rohrstückes insbesondere an einem anderen Rohrstück.
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II. Technischer Hintergrund
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Bei der Verbindung von z. B. zwei Rohrstücken stirnseitig mit ihren Öffnungen gegeneinander mit Hilfe von entsprechenden Flanschen, die an entsprechenden freien Enden der Rohrstücke angeordnet sind und gegeneinander z. B. verschraubt werden, kann eine feste Flanschverbindung zu Problemen führen, wenn sich eines oder gar beide der Rohrstücke während des Betriebes bewegen aufgrund von Vibrationen, starken Temperaturänderungen oder anderen Umwelteinflüssen.
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Dies führt dann zum Aufweiten der Flanschverbindung, Undichtigkeiten der Flanschverbindung oder im schlimmsten Fall zum Abreißen des Flansches vom entsprechenden Rohrstück.
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Diese Probleme treten beispielsweise bei Absaughauben für die Schmelztiegel von Metall-Gießereien auf:
Mit Hilfe dieser Absaughauben werden Dämpfe aufgefangen und über Rohrleitungen abgeführt, die zum einen teilweise sehr giftig sind, vor allem jedoch immer eine sehr hohe Temperatur von meist über 1.000°C besitzen. Das noch auf der Absaughaube angeordnete Rohrstück für die Absaugung dieser Dämpfe im weiteren Verlauf mit einem Gebäudefesten Rohrstück dicht verbunden werden muss, kommt es genau an dieser Verbindungsstelle zu den oben dargelegten Problemen.
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Dabei können sowohl ein Winkelversatz der gegeneinander zu verbindenden Rohrstücke auftreten, als auch ein Querversatz, und zusätzlich eine Vergrößerung oder Verkleinerung der Fuge zwischen den Rohrstücken durch Axialbewegungen eines oder beider der Rohrstücke.
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Um solche Bewegungen kompensieren zu können, sind bereits Ausgleichsflansche bekannt, bei denen mindestens der eine Flansch aus mehreren, gegeneinander beweglichen Flanschteilen, die mittels Abstandshaltern und Federvorspannung in einer definierten Lage gegeneinander gehalten werden, jedoch entgegen der Federkraft auch zusammengedrückt werden können, sei es einseitig oder gleichmäßig über den gesamten Umfang.
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Dabei werden häufig als Abstandshalter zwischen den Flanschteilen in Axialrichtung verlaufende Bolzen eingesetzt, um die herum helixförmige Federn aus Federdraht zum Auseinanderdrücken der Flanschteile benutzt werden.
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Diese Lösung hat jedoch den Nachteil, dass eine solche helixförmige Feder im vollständig zusammengepressten Zustand immer noch eine Höhe entsprechend der Anzahl der Windungen multipliziert mit der Dicke des Federdrahtes aufweist.
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Wenn also die helixförmige Spiralfeder im zusammengepressten Zustand nicht allzu hoch sein soll, muss die Dicke des Federdrahtes gering gehalten werden oder die Anzahl der Windungen, was in beiden Fällen entweder die maximale Federkraft oder den maximalen Federweg beschränkt.
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Des Weiteren liegt eine solche helixförmige Spiralfeder benachbarten Flanschteilen mit annähernd einer vollständigen Windung an und damit mit einer relativ großen Kontaktfläche, die auch entsprechend viel Wärme von diesem Flanschteil in die Feder einleitet.
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III. Darstellung der Erfindung
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a) Technische Aufgabe
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Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, einen ausgleichenden Flansch, der insbesondere für Abzugshauben für Metallschmelzen geeignet ist, zu schaffen, der trotz einfacher und kostengünstiger Herstellung eine geringe axiale Erstreckung aufweist und dennoch große Ausgleichsmöglichkeiten bietet.
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b) Lösung der Aufgabe
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 2 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Durch die Ausbildung der Druckfedern in solcher Art und Weise, dass im vollständig zusammengepressten Zustand der Druckfeder ihr federnder Bereich nur in einer einzigen Lage vorliegt, also insbesondere der Federdraht sich nirgends übereinanderlegt, werden mehrere Vorteile erreicht:
Zum einen ist die Feder im zusammengepressten Zustand in axialer Richtung optimal kurz, so dass der Federweg hoch ist, da vom entlasteten Zustand in den belasteten Zustand in der Regel weit mehr als 90% der Länge im entlasteten Zustand als Federweg zur Verfügung stehen.
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Bei einer Spiralfeder dagegen werden selten mehr als 70% erreicht.
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Der zweite Vorteil liegt darin, dass im zusammengepressten Zustand der Federdraht nicht Lage für Lage aneinander anliegt und dadurch sehr gut Wärme vom einen Flanschbodenteil zum anderen Flanschbodenteil leiten kann, wie bei einer helixförmigen Spiralfeder im zusammengepressten Zustand, wodurch die Wärmeleitung mittels der Feder sehr gering ist, und zwar unabhängig von deren Belastungszustand.
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Der dritte Vorteil liegt darin, dass bei der erfindungsgemäßen Gestaltung der Feder die Stärke des Federdrahtes entsprechend den notwendigen Belastungen und ohne Rücksicht auf axiale Erstreckung gewählt werden kann, so dass bei optimaler Auslegung der Federkraft kein Kompromiss beim Federweg eingegangen werden muss. Insbesondere wird empfohlen, die Dicke des Federdrahtes nicht unter 4 mm, besser nicht unter 5 mm, besser nicht unter 10 mm zu wählen.
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Indem sich – im Gegensatz zu einer helixförmigen Spiralfeder – jede Feder über mindestens 15°, besser 20°, besser 30° des Umfanges der Flanscheinheit erstreckt, kann die Steigung der einzelnen Abschnitte der Federn sehr gering gehalten werden, was der erzielbaren Federkraft entgegenkommt.
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Wenn dabei das eine Befestigungsende an dem einen Flanschteilboden und das andere Befestigungsende an dem anderen Flanschteilboden befestigt wird, ergibt dies eine auch im belasteten Zustand ausgeglichene Belastung der Flanscheinheit, was bewirkt, dass kein Querversatz zwischen den beiden Flanschteilböden durch unsymmetrische Federausbildung und -anordnung bewirkt wird.
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Dabei sind die Federn in Axialrichtung betrachtet vorzugsweise viereckig ausgebildet.
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Vorzugsweise ist der bezüglich der Mitte der Flanscheinheit radial äußere Schenkel nach außen gebogen ausgebildet, was die Länge der Feder und damit deren Federweg vergrößert.
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Vorzugsweise ist dieser Schenkel so gebogen, dass er einen Krümmungsradius entsprechend dem Außenumfang der Flanscheinheit besitzt und parallel zu diesem verläuft.
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Die Federn können in Axialrichtung betrachtet jedoch auch wellenlinienförmig oder zickzacklinienförmig in Umfangsrichtung verlaufend ausgebildet sein. In diesem Fall sind bevorzugt die Enden der Feder wiederum am Flanschteilboden befestigt, in diesem Fall jedoch bevorzugt beide Enden am gleichen Flanschteilboden befestigt, während die Feder mit einer oder mehrerer zwischen den Enden liegenden mittleren Spitze oder Kröpfung an dem anderen Flanschteilboden anliegt.
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Eine solche Zickzacklinie oder Wellenlinie wird eine Höhe von mindestens 70%, besser mindestens 80%, der radialen Erstreckung des Flanschteilbodens besitzen. Als Abstandsbegrenzer zwischen den Flanschteilböden werden vorzugsweise Gewindebolzen eingesetzt, deren wirksame Länge durch auf den Außenseiten der Flanschteilböden aufsitzende, auf den Gewindebolzen verschraubte, Muttern einstellbar ist. Indem die Abstandsbegrenzer, insbesondere die Gewindebolzen, durch ausreichend große Durchgangsöffnungen (die durch entsprechend große Beilagscheiben abgedeckt werden können) in den Flanschteilböden hindurch verlaufen, kann sichergestellt werden, dass die Abstandsbegrenzer, insbesondere die Gewindebolzen, eine Schrägstellung zur Längsrichtung der Flanscheinheit von mindestens 5°, besser 10°, besser mindestens 15°, einnehmen können und damit sowohl eine starke Schrägstellung der Flanschteilböden zueinander als auch eine Verdrehung um die Axialrichtung zueinander ermöglichen.
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Dabei wird zwischen je zwei Abstandsbegrenzern, insbesondere Gewindebolzen, jeweils vorzugsweise eine Druckfeder angeordnet.
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Vorzugsweise sind nur zwei solcher Abstandsbegrenzer an einander diametral n gegenüberliegenden Positionen vorhanden, was die Größe des möglichen Achsversatzes am wenigsten beschränkt.
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Die Schrauben, mit denen die Befestigungsbereiche, insbesondere die freien Enden, der Druckfedern an den Flanschteilböden verschraubt sind, durchdringen wenigstens einen der beiden Flanschteilböden vollständig und dienen der Befestigung des Rohrflansches an diesem Flanschteilboden.
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Von den beiden zusammenwirkenden Flanschteilen ist das eine Flanschteil topfförmig in seinem Querschnitt ausgebildet, mit einer äußeren und einer inneren Ringwand und einem dazwischen verlaufenden Flanschteilboden.
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Die äußere Ringwand ist dabei vorzugsweise an Abstandsbegrenzern verschraubt, die mehrfach über den Umfang verteilt von dem Flanschteilboden an dessen Rand axial abragen und eine radial verlaufende Durchgangsbohrung, insbesondere Gewindebohrung, besitzen.
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Die axiale Höhe dieser Abstandsbegrenzer bestimmt dann das Maß, bis zu dem die Flanschteilboden der beiden Flanschteile maximal gegeneinander gedrückt werden können.
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Der andere Flanschteilboden befindet sich immer im Inneren des topfförmigen anderen Flanschteiles.
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c) Ausführungsbeispiele
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Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
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1: die Flanscheinheit in verschiedenen perspektivischen Ansichten,
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2: den möglichen Versatz der Rohrstücke zueinander,
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3: einen Teil der Flanscheinheit im Schnitt und in perspektivischen Darstellungen, und
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4: eine Feder in Einzeldarstellungen.
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Die zugrunde liegende Problemstellung lässt sich am besten aus 1a erkennen:
Wenn zwei Rohrleitungen 2a und 2b stirnseitig miteinander verbunden werden müssen, werden Sie über an den Rohrstücken 2a, b angeordnete Ring-Flansche gegeneinander verschraubt, die sich in einer radialen Kontaktebene 20 berühren.
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Wenn dabei eines der Rohrstücke 2a oder 2b nicht in Ruhe ist, sondern durch Vibrationen, starke Temperaturdehnungen, etc. bewegt wird, kann es sein, dass diese Verbindung undicht wird oder sogar abreißt, sei es durch Abreißen der Verschraubungen zwischen den beiden Flanschen oder durch Abreißen der Schweißverbindung zwischen dem Rohrstück und dem entsprechenden Flansch.
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Je nach Bewegungsrichtung des sich bewegenden Rohrstückes kann es dabei zu Winkelabweichungen der wechselseitigen Längsrichtungen 10, 10' der beiden Rohrstücke 2a, b kommen.
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Eine Undichtigkeit oder gar ein Abreißen der Flanschverbindung soll vermieden werden durch eine Ausgleichsmöglichkeit, wie sie die erfindungsgemäße Flanscheinheit 1 bietet, die an einem der Rohrstücke, hier dem Rohrstück 2a, als Flansch angeordnet ist. Am anderen Rohrstück 2b kann ein normaler fest angeschweißter Ringflansch verwendet werden oder ebenfalls eine solche ausgleichende Flanscheinheit, um die Ausgleichsmöglichkeiten noch zu vergrößern.
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Zu diesem Zweck besteht die Flanscheinheit 1 – wie am besten in der Längsschnittdarstellung der 3a zu erkennen, wobei die gekröpfte Form des Rohrstückes 2a für die Erfindung ohne Bedeutung ist – aus dem Rohrflansch 13, bei dem ein übliches, kreisringförmiges Blechteil als Flanschteilboden 15 am Ende des Rohrstückes 2a dicht befestigt, in der Regel verschweißt, ist.
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Dieser Rohrflansch 13 sitzt mit diesem ringförmigen Flanschteilboden 15 in der freien Öffnung des Querschnittes eines ebenfalls ringförmigen, im Querschnitt topfförmigen Flanschteiles 3 und ist gegenüber diesem begrenzt beweglich. Das topfförmige Flanschteil 3 ist gemäß der 1a dasjenige Teil, welches mit seinem Flanschteilboden 5 an dem am anderen Rohrstück 2b fest angeordneten, in der Regel ebenfalls wieder angeschweißten, Flanschteilboden 5' gemäß 1 verschraubt ist und die eigentliche Flanschverbindung in der Kontaktebene 20 darstellt.
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Die Ausgleichsmöglichkeit besteht somit in der Flanscheinheit 1 des Rohrstückes 2a und dort zwischen dem Flanschteil 3 und dem fest am Rohrstück 2a angeordneten Flanschteil 13.
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Das topfförmige Flanschteil 3 weist im vorliegenden Fall sowohl eine innere Ringwand 4a als auch eine äußere Ringwand 4b auf, jedoch kann abhängig vom Anwendungsfall und der geforderten Dichtigkeit auch eine dieser beiden Ringwände weggelassen werden.
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Die äußere Ringwand 4b ist an Abstandsbegrenzungen 21 verschraubt, die axial von dem Flanschteilboden 5 mehrfach über den Umfang verteilt vorstehen, und an deren freier Stirnfläche das andere Flanschbodenteil 15 sich bei Bedarf anlegen kann.
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Im maximal voneinander beabstandeten Zustand der Flanschteilboden 5 und 15 wie in den 1 und 3a dargestellt, befindet sich der Flanschteilboden 15 des Rohrflansches 13 gerade noch innerhalb des axialen Längenbereiches oder der einzigen der kürzeren der beiden Ringwände 4a, b. Dadurch ist sichergestellt, dass der Flanschteilboden 15 nicht radial seitlich aus dem Flanschteil 3 herausgelangen kann und dann ein Zusammenfedern nicht mehr möglich wäre.
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Der maximale Abstand zwischen den Flanschteilböden 5 und 15 wird vorgegeben durch Gewindebolzen 8 als Abstandshalter 6, die – wie am besten in 1b ersichtlich – mit ihrem einen Ende an dem Flanschteilboden 5 fixiert sind, beispielsweise durch Einschrauben in eine dort aufgeschweißte Schweißmutter 11, und mit dem anderen Ende den anderen Flanschteilboden 15 durch eine entsprechende Durchgangsöffnung 12 durchdringen, so dass durch die dort auf das freie Ende aufgeschraubte Mutter 18 der maximale Abstand zwischen den beiden Flanschteilböden 5, 15 vorgegeben wird. Unterstützt kann dies unter Umständen auch durch eine diesen Abstand vorgebende, den Gewindebolzen 8 umgebende Abstandshülse werden.
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Vorzugsweise sind nur zwei einander diametral gegenüberliegende Abstandshalter 6 vorhanden.
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Damit sich die Gewindebolzen 8 schräg stellen können und/oder der durchdrungene Flanschteilboden 15 gegenüber den Gewindebolzen 8 radial oder in Umfangsrichtung verschieben kann, sind die Durchgangsöffnungen 12 im Flanschteilboden 15 deutlich größer dimensioniert als der Durchmesser des hindurchgeführten Gewindebolzens 8 und von einer entsprechend großen Beilagscheibe 19 unter der Mutter 18 überdeckt.
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Die Flanschteilböden 5, 15 sind in Richtung des maximal möglichen gegenseitigen Abstandes vorgespannt mit Hilfe von Druckfedern 7, 7', die über den Umfang der Flanscheinheit 7 verteilt mehrfach angeordnet sind, und am besten – im entlasteten Zustand – in den 3b und 3c zu erkennen sind, in denen aus Übersichtlichkeitsgründen die äußere Ringwand 4b sowie der eintauchende Rohrflansch 13 weggelassen sind:
In diesem Fall sind über den Umfang verteilt an zwei gegenüberliegenden Stellen nur zwei Gewindebolzen 8 als Abstandshalter 6 vorhanden. Dadurch sind zwischen zwei solchen Abstandshaltern 6 entlang des Umfanges nicht nur eine sondern mehrere der Federn 7 angeordnet. Bei einer größeren Anzahl von Abstandshaltern 6 könnte zwischen zwei Abstandshaltern auch jeweils nur eine Feder vorhanden sein.
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Die Federn 7 sind dreidimensional aus Federdraht 7' gebogen und besitzen mehrere, etwa rechtwinklige Kröpfungen.
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3c zeigt am besten, dass diese Federn 7 – in Längsrichtung 10 der Flanscheinheit 3 betrachtet – in einer Bauform etwa ein geschlossenes, leicht trapezförmiges Rechteck bilden, wobei die beiden Enden der Feder 7, die jeweils als ein Befestigungsende 16a, b ausgebildet sind, vorzugsweise übereinander liegen.
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In einer anderen Bauform ist der äußere Schenkel der Feder 7 nach außen gebogen und verläuft vorzugsweise parallel und mit gleicher Krümmung zum äußeren Rad des Flansches, wie in 3c rechts unten dargestellt.
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Diese als Befestigungsbereiche 14a, b ausgebildeten Befestigungsenden 16a, b sind U-förmig gekröpfte Bereiche, wobei der Abstand zwischen den Schenkeln des U so gewählt ist, dass dazwischen eine Schraube 9 zum Befestigen hindurch geführt werden kann, die mittels einer z. B. Beilagscheibe dieses Befestigungsende 16a, b an einem der Flanschteilböden 5 oder 15 fixiert. In Axialrichtung 10 betrachtet liegen die Befestigungsschrauben 9 somit axial fluchtend zueinander.
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Wie die 3b und 4 zeigen, weist der Federdraht 7 in dem gesamten federnden Bereich 17 der Feder – also allen Bereichen außer den Befestigungsbereichen 16a, b – eine Steigung auf, mittels der der maximale Abstand zwischen den beiden Flanschteilböden 5 und 15 überwunden wird.
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Falls nun aufgrund einer z. B. axialen Temperaturdehnung das eine Rohrstück 2a axial an das andere Rohrstück 2b herangeschoben wird, taucht der Flanschteilböden 15 in das topfförmige Flanschteil 3 zunehmend ein, und presst dabei die Federn 7 in axialer Richtung zusammen.
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Wenn die beiden Befestigungsschrauben 9 der beiden Befestigungsenden 16a, b derselben Feder 7 axial miteinander fluchten, ist dies möglich bis die Köpfe der Schrauben 9 aufeinander sitzen. Falls diese beabstandet nebeneinander liegen, ohne dass im vollständig zusammengepressten Zustand der Feder 7 der Federdraht 7' übereinander liegt, ist der Federdraht 7' in einer einzigen gemeinsamen Ebene einlagig angeordnet.
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Die Federn 7 erstrecken sich in Axialrichtung betrachtet über einen größeren Winkelbereich der Flanscheinheit, in diesem Fall ca. 50°.
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In der Längsrichtung betrachtet sind die Federn so dimensioniert, dass sie den zur Verfügung stehenden radialen Raum im topfförmigen Flanschteil 3 möglichst großräumig ausfüllen, was es ermöglicht, die Steigungen innerhalb der Federn 7 im entspannten Zustand gering ausfallen zu lassen. Dies kommt dem Federungsverhalten zugute.
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Die Federkraft wird primär durch Materialwahl und Wahl der Dicke des Federdrahtes 7' festgelegt als auch die Vorspannung unter der die Federn 7 im vollständig voneinander beabstandeten Zustand der Flanschteilböden 5, 15 eingebaut sind.
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Durch die fluchtende Anordnung der Befestigungsenden 16a, b jeder Feder 7 zueinander ist sichergestellt, dass auch bei ungleichmäßiger Belastung eines Rohrstückes 2a, b der Rohrflansch 13 in das topfförmige Flanschteil 3 sauber einfedert und nicht durch unsymmetrische Kräfte der Flanscheinheit 1 selbst bereits ein radialer Versatz oder ein keilförmiger Spalt zwischen den Flanschteilböden 5, 15 bewirkt wird. Auch die symmetrische Verteilung der Federn 7 über den Umfang der Flanscheinheit 1 ist hierfür zu bevorzugen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Flanscheinheit
- 2a, b
- Rohrstück
- 3
- Flanschteil
- 4a, b
- Ringwand
- 4a
- Innenwand
- 4b
- Außenwand
- 5, 5', 15
- Flanschteilboden
- 6
- Abstandsbegrenzer
- 7
- Druckfedern
- 7'
- Federdraht
- 8
- Gewindebolzen
- 9
- Schrauben
- 10, 10'
- Längsrichtung, axiale Richtung
- 11
- Schweißmutter
- 12
- Durchgangsöffnungen
- 13
- Rohrflansch
- 14a, b
- Befestigungsbereich
- 15
- Flanschteilboden
- 16a, b
- Befestigungsende
- 17
- federnder Bereich
- 18
- Muttern
- 19
- Beilagscheibe
- 20
- Kontaktebene
- 21
- Abstandsbegrenzer
